（通信与信息系统专业论文）epon系统的研究与实现——基于动态带宽分配.pdf

z7 4 9 6 0 3 1 1 旦型墨竺塑型塞兰茎! ! ! 跫苎三垫查堕薹坌笙 e p o n 系统的研究与实现 一一基于动态带宽分配 摘要 接入网是连接骨干网和最终用户之间的桥梁。接入网在整个通信 网具有十分重要的地位。它不仅关系到骨干网资源的配置，更直接影 响着用户对通信网络的使用。在各种接入网的方案中，基于以太网的 无源光网络( e po _ n ) 充分利用了以太网成熟的协议和设备，无需进行 a p o n 系统0 0 i p a t m - i p 之间的协议转换，成本低廉，而且克j 艮a t m 佶 元开销大、带宽利用率低的缺点。目前e p o n 是宽带接入技术中研究的 热点之一。 本文首先介绍了接入网的发展现状和发展趋势，光接入网的定义， 分析了e p o n 的技术特点和技术优势。 从e p o n 系统的定义出发，我们介绍e p o n 系统的结构和工作原理， 提出了一种新的基于动态带宽分配的上行接入技术( m p c p ) ，详细分析 了此上行接入技术的实现流程。设计了e p o n 系统的框架结构，并定义 了五种m p c p 控制帧的帧格式。 接下来根据e p o n 系统的设计方案，介绍了o l t 的硬件实现，以 模块化的方式分析了硬件实现中各部分的功能和具体实现。 最后是o l t 的软件实现。详细介绍了e p o n 系统中o l t 的软件实 e p o n 系统的研究与实现一一基于动态带宽分配 现。以模块化的方式将o l t 的软件实现分为几个相互独立的模块，分 析了其中部分模块的实现。最后通过q u a r t u si i 对程序进行仿真， _ 并分析了仿真的结果。 关键词e p o n ，接入网，注册，测距，带宽，仿真 1 i e p o n 系统的研究与实现一一基于动态带宽分配 t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n o fe p o n b a s e do nd y n a m i cb a n d w i d t h d i s t r i b u t i o n a b s t r a c t t h ea c c e s sn e t w o r ki sab r i d g eb e t w e e nt h eb a c k b o n en e t w o r ka n dt h e e n du s e r s t h ea c c e s sn e t w o r kh a sg r e a t i m p o r t a n c e i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s 。n o to n l yd o e st h er e s o u r c ea l l o c a t i o no fb a c k b o n er e l yo nt h e a c c e s sn e t w o r k b u ti td i r e c t l ya f f e c t st 1 1 eu s a g eo fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a sw e l l t h ee t h e m e tb a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( e p o n ) ，w h i c hu s e s t h em a t u r ee t h e m e tp r o t o c o la n d e q u i p m e n t ，h a sn o n e e dt om a k e p r o t o c o l c o n v e r s i o nb e t w e e ni pa n da t ma sa p o nd o e s w i t hl o wc o s t ，l o w o v e r h e a da n d h i g h b a n d w i d t hu t i l i t y , e p o nh a sb e c a m eo n eo ft h e p r o m i s i n ga p p r o a c h e s o fb r o a d b a n da c c e s s f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n t o ft h ea c c e s sn e t w o r k ， t h ed e f i n i t i o no ft h e o p t i c a la c c e s sn e t w o r k a n a l y z e t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a d v a n t a g e so f e p o n p r o c e e d i n gf r o m d e f i n i t i o no fe p o n s y s t e m ，w ei n t r o d u c es t r u c t u r eo f i i i e p o n 系统的研究与实现一一基于动态带宽分配 e p o n s y s t e ma n do p e r a t i o np r i n c i p l e ，p u tf o r w a r da k i n do fn e w u p a c c e s s t e c h n o l o g yo fd y n a m i cb a n d w i d t hg u a r a n t e e d ，a n a l y s e st h er e a l i z a t i o n p r o c e d u r e o f t h i sa c c e s st e c h n o l o g yi nd e t a i l d e s i g nt h es t r u c t u r eo f e p o n s y s t e m ，a n dd e f i n e df i v en e w k i n d sc o n t r o l l i n gf l a m ef o rm p c p a n dt h e na c c o r d i n gt ot h ed e s i g no fe p o n s y s t e m ，r e c o m m e n dt h e r e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r eo f o l t , a n a l y z e d t h ef u n c t i o no f e v e r yp a r ti n t h eh a r d w a r e i ti st h es o f t w a r eo fo l tt h a ti sr e a l i z e df i n a l l y h a v er e c o m m e n d e di n e p o ns y s t e mi nd e t a i lt h es o f t w a r eo fo l ti sr e a l i z e d d i v i d e dt h e s o f t w a r eo fo l ti n t os e v e r a l p i e c e s o fs e p a r a t e m o d u l e ，a n a l y s e st h e r e a l i z a t i o no fs o m em o d u l ea m o n gt h e m a c o m p u t e rs i m u l a t i o nt h r o u g h q u a r t u s i ii sr e p o s e d ，w h i c hs h o w sa p o s i t i v ea n ds a t i s f a c t o r yr e s u l to f o u r w o r k k e yw o r d s e p o n ，a c c e s sn e t w o r k ，r e g i s t e r , r a n g i n g ，b a n d w i d t h ， s i m u l a t i o n i v e p c o n 系统的研究与实现一一基于动态带宽分配 图1 - 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图2 - 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 6 图4 7 图4 - 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 插图目录 核心网与用户接入网示意图l p o n 接入网的参考结构一7 光纤技术从骨干网向本地环渗透和以太网技术从局域网向骨干网渗透“8 光纤到户( f t t h ) 接入方式的比较“ 1 1 e p o n 下行数据流示意图，1 3 e p o n 上行数据流示意图1 3 e p o n 的协议分层模型。1 4 o n u 注册过程 ，1 6 静态测距过程 1 8 动态测距过程1 8 动态带宽分配过程( 1 ) ，2 0 动态带宽分配过程( 2 ) 2 1 动态带宽分配过程( 3 ) 2 1 动态带宽分配过程( 4 卜2 2 动态带宽分配过程( 5 ) 2 3 动态带宽分配过程( 6 ) 2 3 动态带宽分配过程( 7 ) 2 4 e p o n 系统时钟同步过程2 5 f p g a 实现的总体结构框图3 2 信息库结构3 3 动态测距和数据传输过程3 4 移位寄存器字段结构3 5 帧识别模块处理流程 3 5 信息收集和测距模块流程图，3 6 o l t 宏模块连接与数据流向，3 8 fj , t t e rs t m m a a r y j j ，j j ，j ，j j j 、41 t i m i n g a n a l y z e r 。+ 4 2 发送d i s c o v e r y 帧 4 3 接收r e g i s t e rr e q 帧并发送r e g i s t e r 帧4 4 第一次发送g a t e 帧4 5 接收r e p o r t 帧4 6 第二次发送( 3 a t e 帧4 7 v e p o n 系统的研究与实现一一摧于动态带宽分配 1 1 引言 第一章绪论 随着经济的发展和科学技术的进步，人们的工作和日常生活已经越来越离不 开各种通信服务了，对电信业务的要求也越来越高了，电信业务正逐渐从传统的 电话等窄带业务向集语音、数据和视频为一体的多媒体宽带业务发展。社会对信 息的要求推动了信息产业快速发展。迫切要求各种专业信息系统共同融入个信 息网络，能使人在任何地点、任何时问，将文本、声音、图像、电视等信息传送 给任何地点的任何人。由国家骨干电信网( 数字交换网、光纤网、数字微波网、 卫星通信网等) 构成的高速通信网提供了高速信息传送的通道。接入网是用户网 进入骨干网的桥梁，被称为信息高速公路的第一公里( 或最后一公里) ，它解决了 如何将语音、数据、视频等多种业务中和传送到用户的问题。随着社会信息化进 程的加快，接入网已成为制约网络向矿宽带化发展的瓶颈。接入网市场容量广大， 为了满足用户的需要，新技术不断涌现。网络接入技术已成为电信研究部门、各 大电信公司和运营部门关注的焦点和投资的热点。 1 2 接入网现状与发展趋势 1 2 1 接入网定义 接入网是在业务节点接口( s n i ) 和与其关联的每一个用户网络接口( u n i ) 之间 由提供电信业务的传送实体组成的系统。s n ( 业务节点) 是提供接入到各种交换 和，或非交换电信业务的网元。s n i ( 业务节点接口) 是提供用户接入到s n 的接口。 u n i ( 用户网络接口) 指的是终端设备与应用接入协议的网络终端之间的接口。其 目标是建立一种标准化的接口方式，以一个可监控的接入网络，使用户能够获得 话音、租用线业务、数据多媒体、有线电视等综合业务。 s n l s n i 图i - i核心网与用户接入网示意图 接入网 困 e p o n 系统的研究与实现一一基于动态带宽分配 1 2 2 主流的宽带接入技术 a 数字用户线( x d s l ) 技术 d s l ( 数字用户线路，d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 是以铜线为传输介质的传输技术 组合，它包括h d s l 、a d s l 、v d s l 等技术，一般称之为x d s l 。它们主要的区 别就是体现在信号传输速度和距离的不同以及上行速率和下行速率对称性的不同 这两方面。 高速数字用户环路( h d s l ) 技术 h d s l 是x d s l 技术中最成熟的一种，已经得到较为广泛的应用。h d s l 采用 高速自适应数字滤波技术和先进的信号处理器，进行线路均衡，消除线路串音， 实现回波抑制，不需要再生中继器，适合所有菲加感用户环路，设计、安装和维 护方便、简捷。h d s l 采用的编码类型为2 b l q 码或c a p 码，可以利用现有电话 线缆的用户线中两对或三对双绞线来提供全双工的t i e 1 信号传输，支持 n x 6 4 k b i t s 等各种速率，最高可达e l 速率。对于普通0 4 o 6 m m 线径的用户线 路来讲传输距离可达3 6 k m ，比传统的p c m 技术要长一倍以上，如果线径更粗 些，传输距离可接近1 0 k m 。h d s l 技术广泛适用于移动通信基站中继、无线寻呼 中继、视频会议、i s d n 基群接入、远端用户线单元( r l u ) 中继以及计算机局域 网互联等业务，由于它要求传输介质为2 3 对双绞线，因此常用于中继线路或专 用数字线路，一般终端用户线路不采用该技术。与h d s l 有关的标准包括a n s i 的t 1 e l ，4 。e t s l 的d t t m 一3 0 1 7 以及n u t 的g 9 9 1 1 等。 非对称数字用户环路( a d s l ) 技术 a d s l 是一种非对称的数字用户环路，即用户线的上行速率和下行速率不同， 根据用户使用各种多媒体业务的特点，上行速率较低，下行速率则比较高，特别 适合传输多媒体信息业务。a d s l 不仅具有h d s l 的优点，而且在信号调制数字 相位均衡、回波抑制等方面采用了更先进的器件和动态控制技术，它采用正交调 幅( q a m ) 、无载波幅度相位调制( c a p ) 、离散多音频调制( d m t ) 等调制技术， 通过对不同的业务和上下行信号采用频分复用方式，实现了在一对普通电话线上 同时传送一路高速下行单向数据、一路双向较低速率的数据以及一路模拟电话信 号，可直接利用用户现有的电话线路，在线路两侧各安装一台a d s l 调制解调器 即可。在普通电话双绞线上，a d s l 的典型的上行速率为1 6 - - 6 4 0 k b i f f s ，下行速率 为1 5 4 4 8 1 9 2 m b i f f s ，传输距离为3 6 k m ，有关a d s l 的标准有a n s i 的t 1 e 1 4 、 i t u t 的g 9 2 2 2 、( 3 9 9 2 1 等。a d s l 除可提供电话业务外，还能提供多种宽带 业务，在未来几年内，a d s l 接入技术仍会是终端用户最主要的宽带接入方式。 超高速数字用户环路( v d s l ) 技术 v d s l 和a d s l 技术相似，也是一种非对称的数字用户环路技术，采用频分 复用方式，将p o t s 、i s d n 以及v d s l 的上、下行信号放在不同的频段传输，但 e p o n 系统的研究与实现一一基于动态带宽分配 v d s l 比a d s l 的传输速率更高，是高速的a d s l 。v d s l 采用c a p 、d m t 和 d w m t 等编码方式，在一对普通电话双绞线上提供的典型速率为上行l ，6 2 3 m b i f f s ，下行1 2 9 6 5 5 2 m b i “s ( 目前最高达到1 5 5 m b i t y s ) ，速率比a d s l 高约 1 0 倍，但传输距离比a d s l 也短得多，典型的传输距离为0 3 1 5 k m 。由于v d s l 的传输距离比较短，因此特别适合于光纤接入网中与用户相连接的最后公里”， 存在于用户与本地光网络单元( o n u ) 之间，并且要求尽量与用户接近。v d s l 可同时传送多种宽带业务，如高清晰度电视( h d t v ) 、清晰度图像通信以及可视 化计算等，其国际标准还正在制定。 当前，x d s l 技术成为宽带接入网中非常活跃、热门的技术，除上述几种比较 典型的技术以外，目前还存在其他一些数字用户环路技术，如r a d s l 、i d s l 、e d s l 等。在光纤到户( f 1 v r h ) 未实现之前，x d s l 将是主要的宽带接入方式之一。 b 混合光纤同轴( h f c ) 接入技术 为了解决终端用户通过普通电话线入网速率较低的问题，人们一方面通过 x d s l 技术提高电话线路的传输速率，另一方面尝试利用目前覆盖范围广、具有很 大带宽的c a t v 网络。h f c 接入技术就是以现有的c a t v 网络为基础，采用模拟 频分复用技术，综合应用模拟和数字传输技术、射频技术和计算机技术所产生的 一种宽带接入网技术。h f c 网络由光纤和同轴电缆组成，和光纤到路边( f 1 t c ) 不同的是，其同轴电缆不是星型结构，而是采用树型结构，通过分支器连接到终 端用户。光分配节点( o d u ) 到头端( 旺) 为星型拓扑结构，采用a n - - s c m 光 波技术通过光缆传输信号，所有连接到光节点的用户共享一条光纤线路。h f c 技 术可以统一提供c a t v 、话音、数据及其他一些交互业务，它在5 5 0 m h z 频段通 过q p s k 和t d m a 等技术提供上行非广播数据通信业务，在5 0 一5 5 0 m h z 频段采 用残留边带调制( v s b ) 技术提供普通广播电视业务，在5 5 0 - - 7 5 0 m h z 频段采用 q a m 和t d m a 等技术提供下行数据通信业务，如数字电视和v o d 等，7 5 0 m h z 以上频段暂时保留以后使用。终端用户要想通过h f c 接入，需要安装一个用户接 口盒，它可以提供三种连接：使用c a t v 同轴电线连接到机顶盒，然后连接到用 户电视机；使用双绞线连接到用户电话机：通过c a b l em o d e m 连接到用户计算机。 由于c a t v 网络覆盖范围已经很广泛，而且同轴的带宽比铜线的带宽要宽得 多，因此h f c 是一种相对比较经济、高性能的宽带接入方案，是光纤逐步推向用 户的一种经济的演变策略，尤其是在有线电视网络比较发达的地区，h f c 是一种 很好的宽带接入方案。不过h f c 接入技术的应用也有一些需要解决的问题，首先， 原有的c a t v 网络只提供广播业务，大都为单向网络，为实现双向通信，需要有 双向分配放大器、双向滤波器双向干线放大器等。其次，h f c 接入系统为树型结 构，同轴的带宽是由所有用户公用的，而且还有一部分带宽要用于传送电视节目， 用于数据通信的带宽受到限制，目前一般一个同轴网络内至多连接5 0 0 个用户， 另外树型结构使其上行信号存在噪声积累，即”漏斗效应”。再者，h f c 网络的安 e p o n 系统的研究与实现一一耩于动态带宽分配 全保密性、系统健壮性以及价格等问题也有待进一步解决和完善。最后，i e e e 的 8 0 2 1 4 工作组正在制定h f c 物理层和m a c 层标准，但h f c 目前还没有统一的国 际标准。在我国开展h f c 接入，还有一个经营体制的问题，需要打破行业界限。 c 无线接入技术 无线接入技术是指在终端用户和交换局端间的接入网部分全部或部分采用无 线传输方式，为用户提供固定或移动的接入服务的技术。宽带无线接入技术主要 有本地多点分配业务( l m d s ) 和多通道多点分配业务( m m d s ) 两种。它们是在 成熟的微波传输技术上发展起来的，所采用的调制方式与微波传输相似，主要为 相移键控p s k ( 包括b p s k 、d q p s k 、q p s k 等) 和正交幅度调制q a m ( 包括4 - q a m 、 1 6 - q a m 、6 4 q a m 等) 。不同之处是l m d s 和m m d s 均采用点多址方式，微 波传输则采用点对点方式。 随着蜂窝技术的成熟，l m d s 和m m d s 的频率利用率得到较大的提高。数 字调制技术和压缩技术的发展，又使频率利用率进一步提高。另外，高频无线传 输技术的改进，使1 0 g 以上的无线频率变得可用，大大丰富了频率资源。富裕的 频率资源，加之i p 和a t m 技术与无线传输技术的有机结合，终于使宽带无线接 入成为可能。 本地多点分配业务( l m d s ) l m d s 是近年来逐渐发展起来的种工作于2 4 g hz 3 8 g hz 频段的宽带无 线点对多点接入技术。不同国家分配给l m d s 的频段有所不同，但有8 0 左右的 国家将2 7 5 g h z 2 9 5 g h z 定为l m d s 的频段。该技术利用毫米波传输，可提供 双向话音、数据及视频图像业务，可以实现n x 6 4 k b i t s 到2 m b i t s 、甚至1 5 5 m b i t s 的用户接入速率，具有很高的可靠性，号称是一种“无线光纤”接入技术。该技术可 使宽带业务克服铜线电缆本地环路这一瓶颈，满足用户对高速因特网和数据通信 目益增长的需求，因而有望成为解决通信网最后里程问题和新电信运营商开展业 务、发展用户的一种有效手段。 l m d s 系统通常由基础骨干网、基站、用户终端设备和网管系统组成。骨干 网可由a t m 或i p 的核心交换平台及因特网、p s t n 网互连模块等组成。基站实现 骨干网与无线信号的转换，可支持多个扇区，以扩充系统容量。一般来说，用户 终端都有室外单元( 含定向天线和微波收发设施) 和室内单元( 含调制解调模块 及网络接口n u i ) 。 l m d s 系统可采用的调制方式主要为相移键控( p s k ) 和正交幅度调制 ( q a m ) 。无线双工方式一般分为频分双工( f d d ) ，多址方式为频分多址( f d m a ) 或时分多址( t d m a ) 。f d m a 适合大量连续非突发性数据的接入，t d m a 适合支 持多个突发性或低速率数据用户的接入。此外，由于采用了蜂窝技术和扇区分割 技术，致使l m d s 频率复用率高，系统容量大。l m d s 用户设备( c p e ) 的接口 形式也比较多样化( 有d s o 、p o t s 、1 0 b a s e t 直至a t m 、o g 一3 等) ，能满足不同 4 e p o n 系统的研究与实现一一基于动态带宽分配 用户的需求。 多通道多点分配业务( m m d s ) m m d s 是由单向的无线电缆电视微波传输技术发展而来的，是国外电话公司 与有线电视公司竞争视频业务的重要手段。随着技术的进步，一些生产厂商对原 有的m m d s 系统进行改进，使之能够实现双向点到多点的宽带传输。m m d s 一般 采用正交幅度调制，国际标准尚未制订。m m d s 原先的工作频率应为2 5 g h z 2 7 g h z ，但近来也有一些厂商的产品工作于2 g h z 4 g h z ( 甚至1 g h z 1 0 g h z ) 频段。m m d s 的配置及所采用的技术与l m d s 相似，一般也由骨干网、基站、用 户终端设备和网管系统组成。m m d s 工作在3 g h z 左右频段，因而可用的频谱资 源比l m d s 少，但其传输距离则远远超过l m d s 。 d 光纤接入技术 光纤由于其大容量、保密性好、不怕干扰和雷击、重量轻等诸多优点，正在 得到迅速发展和应用。主干网线路迅速光纤化，光纤在接入网中的广泛应用也是 种必然趋势。光接入技术实际就是在接入网中全部或部分采用光纤传输介质， 构成光纤用户环路( f i t l ) ，或称光接入网( o a n ) ，实现用户高性能宽带接入的 一种方案。根据o n u 所设置的位置，光接入网分为光纤到户( f t t h ) 、光纤到路 边( f t t c ) 、光纤到大楼( f t t b ) 、光纤到办公室( f t t o ) 、光纤到楼层( f t t f ) 、 光纤到小区( f t t z ) 等几种类型，其中f t t h 将是未来宽带接入网发展的最终形 式。 1 2 3 接入网发展趋势 随着社会和技术的进步，信息技术发展的大趋势是电话、计算机、电视三神 技术、产业乃至网络的融合，即三网合一。它表现为业务层互相渗透交叉，应用 层使用统一的通信协议，网络层互联互通，技术上趋向一致。 从业务上分析，受这种大潮的推动，接入网的发展目标是建立一个全业务接 入网( f s a n ) ，它不仅能支持窄带、宽带以及交互式宽带业务，而且还能支持目 前尚未定义的一些新业务，将各种应用型技术融于一网，以满足用户的各种业务 需求。 从技术上分析，伴随着各种接入技术的发展，有线接入网的发展方向必然是 数字化、宽带化、光纤化。这也是用户曰益增长的通信需求驱动的结果。数字化 的宽带光纤接入网将是市场导向和技术发展的必然结果。 同时由于因特网的飞速发展，用户对i p 业务接入的需求空前高涨。因为以太 网接入技术在各方面所具有的优越性，尤其是无缝传输m 数据的能力、带宽可扩 展性和应用的普及性等强大的优势，决定了以太网接入技术必然是接入网技术近 期发展的热点和重点。 e p o n 系统的研究与实现一甚于动态带宽分配 1 3 光接入网 1 3 1 光接入网定义 光接入网( o a n ) 定义为共享相同网络侧接口并由光接入传输系统所支持的 接入链路群，一般称为光纤环路系统( f 1 v r l ) 。由光接入网( o a n ) 的定义可以 看到，一般情况下，o a n 是一个点对多点的光传输系统，从系统配置上可分为有 源光网络( a o n ) 和无源光网络( p o n ) 。由于无源光网络( p o n ) 具有独特的特 点：能够提供透明宽带的传送能力；因为p o n 本身是种多用户共享的系统，即 多个用户共享同一设备、通一条光缆和同一个光分路器，所以成本低；与有源光 网络相比，它的安装、开通和维护运营成本大大降低，使系统更可靠、更稳定。 目前光纤接入网几乎都采用p o n 结构，p o n 是光接入网的发展趋势。 1 3 2 无源光接入网的参考结构 根据i t u tg 9 8 2 建议，p o n 接入网的参考结构如图所示。系统由光线路终端 ( o l t ) ，光网络单元( o n u ) ，无源光分配网络( o d n ) 、光纤和系统管理单元组 成 2 1 。 o l t 的作用是为p o n 提供网络侧与本地交换梳之间的接口，并经一个或多个 o d n 与用户侧的o n u 通信。o l t 与o n u 的关系是主从通信关系。0 l t 的任务 是分离交换和非交换业务，管理来自o n u 的信令和监控信息，为o n u 和本身提 供维护和适配功能。o l t 可直接设置在本地交换机接口处，也可设置在远端集中 器或复接器接口。在物理上，o l t 可以是独立设备，也可以与其他功能集成在问 一设备内。0 d n 为o l t 与o n u 之间提供光传输手段，其主要任务是完成光信号 功率的分配，o d n 是由无源器侔( 如光纤光缆、光连接器、光分路器) 组成的纯 无源光配线网。o n u 的作用是为p o n 提供直接的或远端的用户接口。o n u 的主 要任务是终结来自o d n 的光纤，处理光信号，并为多个用户提供业务接髓。适配 功能为o n u 和用户设备提供适配功能。其具体物理实现可以包含在o n u 内，也 可以完全独立。当o n u 与适配功能在物理上相互独立时，则适配功能还要完成在 最后一段引入线上的业务传送任务。接入网系统管理功能通过q 3 接口与电信管理 网相连，与其进行通信并接受其管理。 6 e p o n 系统的研究j 实现一一基于动态带宽分配 用户 图1 - 2p o n 接入网的参考结构 目前用于宽带接入的p o n 技术主要有：a t mp o n ( a p o n ) 和 e t h e r n e tp o n ( e p o n ) 。 a p o n 是f s a n ( f u l l s e r v i c ea c c e s sn e t w o r k ) 于2 0 世纪9 0 年代中期开发完成的。 当时为了制定一个基于光纤能够为商业用户和居民用户提供包括i p 数据、视频、 以太网等服务的标准，顺理成章地选择a t m 和p o n 分别作为网络协议和网络平 台，因为a t m 被看作是能够提供各种类型通信的唯一协议，而p o n 是最经济的 宽带光纤解决方案。后来f s a n 使用的a p o n 格式成为i t u 的标准，即 i t u tg ，9 8 3 。a p o n 可以通过利用a t m 的集中和统计复用，再结合无源分路器 对光纤和光线路终端的共享作用，使成本比传统的、以电路交换为基础的p d h s d h 接入系统低2 0 4 0 。 e p o n 采用a p o n 相似的结构，继承了很多g 9 8 3 建议。但e p o n 却以比a p o n 更低的价格提供更多的带宽和更广的业务范围。 1 3 3 以太网无源光网络( e p o n ) 由于通信技术的飞速发展，出现了两种发展趋势，第种是光纤技术逐渐从 骨干网向广域网( w a n ) 、城域网( m a n ) 发展，最后也将渗透到l a n ；第二种 是以太网技术逐渐从局域网( l a n ) 向城域网( m a n ) 、广域网( w a n ) ，最后在 骨干网上传送的可能也将是i p 包。这两种技术的结合，将有可能导致最终广泛采 用综合了最好的光纤技术和以太网技术的光i p 以太网( 如i p o v e r d w d m ) 。它将 是在一个平台上提供数据、视频和语音业务的主要工具。 e p o n 系统的研究与实现一一基于动态带宽分配 i po v e r d w d m 图i - 3 光纤技术从骨干网向本地环渗透和以太网技术从局域网向骨干网渗透“ 随着因特网的快速发展，以太网被大量使用。但是它的传输介质仍为铜线， 性能差，传输距离有限，速率也上不去，另外由于采用星型布线，所用的双绞线 数量比较多。以太网是在2 0 世纪8 0 年代发展的一种局域网技术，其带宽为1 0 m b p s ， 最初是共享媒体型，为防止数据碰撞需要对信道进行侦听，限制了其使用效率和 传输距离。9 0 年代发展了交换型以太网，解决了上述问题，并先后推出了快速以 太网f e ( 1 0 0 m b p s ) 和千兆以太网( 1 0 0 0 m b p s ) 。以太网由于具有使用简单方便、价 格低、速度高等优点，很快成为局域网的主流。以太网的帧格式与i p 是一致的， 特别适合于传输i p 数据。随着吉比特以太网的成熟和万兆( 1 0 g b p s ) 以太网的出 现，以及低成本在光纤上直接架构g b e 和1 0 g b e 网技术的成熟，以太网开始进入 城域网( m a n ) 和广域网( w a n ) 领域。目前，g b e ( i o g b e ) 已经成为宽带i p 城 域网的首选方案，也已经开始用于w a n 。如果接入网也采用以太网，将形成从局 域网、接入网、城域网、广域网全部是以太网的结构。采用与i p 一致的统一的以 太网帧结构，各网之间无缝连接，中间不需要任何格式转换，这将可以提高运行 效率、方便管理、降低成本。这种结构可以提供端到端的连接，根据与用户签订 的服务协议s l a ，保证服务质量q o s 。 基于以太网技术的宽带接入网与传统的用于计算机局域网的以太网技术大不 一样，它仅借用了以太网的帧结构和接口，网络结构和工作原理完全不一样，它 具有高度的信息安全性，电信级的网络可靠性，强大的网管功能，并且能够保证 用户的接入带宽，这些都是现有的以太网技术根本做不到的。因此基于以太网技 术的宽带接入网完全可以应用在公网环境中，为用户提供稳定可靠的宽带接入服 务。另外，由于基于以太网技术的宽带接入网给用户提供标准的以太网那个接口， 能够兼容所有带标准以太网接口的终端，用户不需要另配任何新的接口卡或协议 软件，因此它又是一种十分廉价的宽带接入技术。 e p o n 系统的研究与实现一一基于动态带宽分配 e p o n 相对于现有类似技术的优势主要体现在以下几个方面3 ： 与现有以太网的兼容性：以太网技术是迄今为止最成功和成熟的局域网技 术。e p o n 只是对现有i e e e 8 0 2 3 协议作一定的补充，基本上是与其相兼 容的，考虑到以太网的市场优势，e p o n 与以太网的兼容性是其最大的优 势之一。 高带宽：根据目前的讨论，e p o n 的下行信道为百兆千兆的广播方式，而 上行信道为用户共享的百兆千兆信道。这比目前的接入方式，如i s d n 、 a d s l 甚至a p o n ( 下行6 2 2 1 5 5 m b p s ，上行共享1 5 5 m b p s ) 都要高得多。 低成本：首先由于采用p o n 结构，e p o n 网络中减少了大量的光纤和光 器件以及维护的成本。其次，以太网本身的价格优势，如廉价的器件和安 装维护使e p o n 其有a p o n 所无法比拟的低成本。 e p o n 和a p o n 一样，可应用于f t t b ( f i b e r t ot h e b u s i n e s s ) 和f t t c ( f i b e r t o t h e c u r b ) ，最终的目标是在一个平台提供全业务( 数据、视频、语音) 到用户。 两者最主要的区别是：在e p o n 中，是用不定长的，最大达到1 5 1 8 字节的包来传 输数据；雨a p o n 中使用5 3 字节( 4 8 字节净负荷，5 字节信头) 定长a t m 信元 传输数据。虽然能够有效而迅速的同步，但当a p o n 传输i p 业务时，i p 包必须分 割成多个4 8 字节，再加上5 字节的信头，所以a p o n 传输i p 业务比较困难，而 且效率低。 e p o n 是几种最佳的技术和网络结构的结合，其采用点到多点结构，无源光纤 传输方式，在以太网上提供多种业务。从e p o n 的技术特点来看，其非常适合高 速接入和传输、集成数据、音频、视频业务、以及x d s l 、l a n 宽带接入的扩展。 目前，i p e t h e m e t 应用占到整个局域网通信的9 5 以上，e p o n 由于使用上述经济 而高效的网络结构，从而成为连接最终用户的一种最有效的通信方法。1 0 g b i t s 以 太主干和城域环的出现也将使e p o n 成为未来全光网中最佳的最后一公里的解决 方案。 2 0 0 0 年1 2 月，以太网设备供应商提出了将p o n 以太网用于接入网的标准研 究计划，这种使用p o n 的以太网称为e p o n 。接着在i e e e 8 0 2 3 里成立了以太网 接入研究组e f m ( e t h e m e t i n t h e n f i r s t m i l e ) ，该组的目标是起草一个标准，试图 将现在广泛使用的以太网协议应用到p o n 接入网。目前已有众多公司参加了这个 组织。除i e e e 研究组外，e p o n 提倡者还计划参加其他标准化组织，如i t u t 和 i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 。g 9 8 3 关于a p o n 的许多内容对e p o n 仍 然有效，i e e e8 0 2 3e f m 组见参照f s a n 的有关内容集中开发e p o n 的m a c 协 议。这是建立e p o n 标准的最快途径，几个大的公司如c i s c o 和n o r t e l n e t w o r k 在 a p o n 的基础上正在开发e p o n 标准。 e p o n 系统的研究与实现一一基于动态带宽分配 1 4 本文的主要研究内容 课题来源：本课题是浙江省科技计划项目，项目名称：基于以太网的宽带多 媒体无源光接入网( e p o n ) 的研究。 本论文的主要内容包括以下几个方面： 第一章绪论介绍了接入网的发展现状和发展趋势，光接入网的定义。分析了 e p o n 的特点和技术优势。 第二章e p o n 系统上行接入( m p c p ) 方案的设计，从e p o n 系统的定义出发， 介绍了系统结构和功能。提出了一种新的基于动态带宽分配的上行接入技术，详 细分析了此上行接入技术的实现流程，包括注册，测距和动态带宽授权。设计了 e p o n 系统的框架结构，定义了五种新的m p c p 控制帧的帧结构。 第三章e p o n 系统的硬件实现，介绍了e p o n 系统中o l t 的硬件实现，以模 块化的方式分析了硬件实现中各部分的具体实现和功能。 第四章e p o n 系统中核心模块f p g a 的实现，详细介绍了e p o n 系统中o l t 的f p g a 的硬件编程实现。以模块化的方式将f p g a 的硬件编程实现分为几个相 互独立的模块，分析了其中部分模块的实现。最后通过q u a r t u si i 对程序进行仿 真，并分析了仿真的结果。 第五章结束语，也是本次毕业设计最后总结。分析了系统设计和实现的一些创 新和不足。也对今后努力的方向作了展望。 1 5 本章小结 本章介绍了接入网的现状与发展趋势，分析了当前的主流宽带接入技术。介 绍了光接入网的定义和无源光接入网的参考结构。论述了e p o n 的特点和技术优 势，以及e p o n 的发展前景。 e p o n 系统的研究与实现一一基于动态带宽分配 第二章e p o n 系统的方案设计( m p c p ) 2 1e p o n 的定义 e p o n 是一种以以太网接入为网络协议，以p o n 为网络平台，能为用户提供 数据、语音、图像和多媒体服务的宽带接入系统。 2 2e p o n 结构和工作原理 2 , 2 1e p o n 的结构2 3 5 3 ” e p o n 采用点对多点的光接入体系结构，利用p o n 拓扑结构实现以太网的接 入，在中心交换局( c o ) 与用户端间配罱光接入线路。一个典型的e p o n 系统由 o l t ( 光线路终端) 、o d n ( 光分配网络) 、o n u ( 光网络单元) 和e m s ( 网元管 理系统) 组成。 图2 - 1光纤到户( f t t h ) 接入方式的比较3 o l t 位于中心交换局的机架上，它既是一个交换机或路由器，又是一个多业务 提供平台，提供e p o n 系统与业务供应商的语音、数据、视频的接口，它通过e m s e p o n 系统的研究与实现一一基于动态带宽分配 连接到业务供应商的网络上。o l t 可提供各种广域网接口，可与d c s 、话音网关、 i p 路由器等设备相连：还可提供多个g b i t 以太网和1 0 g b i t 以太网接口，提供第二 层和第三层的交换与路由功能。o l t 根据需要配置多块o l c ( 光线路卡) 。o l c 与多个o n u 通过p o s ( 无源光分路器) 连接。 o l t 作为e p o n 的核心，实现以下功能”1 ： 向o n u 以广播方式发送以太网数据。 发起并控制测距过程，记录测距信息。 发起并控制o n u 功率。 为o n u 分配带宽，即控制o n u 发送数据的起始时间和发送窗口大小。 其他相关的以太网功能。 o d n 由p o s 和光纤构成，p o s 是一个连接o l t 和o n u 的无源设备